基于无线传感网络的通信电源远程监控系统设计

苏志德

（广西通信规划设计咨询有限公司，广西 南宁 530007）

0 引 言

暴雨、飓风、雷击以及浓烟等都会对电力设备的运行造成一定影响。与其他通信设备相比，供电设备的运行条件相对独立。通信电源失效后，无法向控制中心发送故障信息，造成通信设备传输数据失效。在当前通信电源快速发展的背景下，基于远程监控系统，电力系统能够及时准确地获取运行数据。它的正常工作状态是保证通信网络安全可靠的重要因素。目前，该系统的研究已经有了一些进展，但仍存在着噪声大、监控数据失真等问题，导致测量数据出现偏差[1]。本文以无线传感网络为基础，设计了一套用于远程通信的电力监控系统。

随着我国通信行业的迅速发展，通信网络设备不断更新。通信基站的供电是基于通信网中各个节点的供电，是保障通信品质的重要保障。目前，国内移动通信基站有数百万个，分布较广。大部分基站建在偏远山区，没有工作人员监管，因此必须动态实时监控其通信供电情况[2]。然而，传统的电力通信监控系统功能单一，应用范围较小，难以适应电力系统的发展。

1 ZigBee无线传感网络的特征

在传感器网络中，各种通信协议层出不穷，寻找一种具有低成本、低能耗、高安全性以及高抗干扰性特点的无线传感器技术相对困难。ZigBee技术与其他技术相比具有数据量小、周期短、传输和接收损失小等优点，且成本低廉、传输速度慢、延迟小[3]。此外，ZigBee技术的一个主要结点可以同时处理多个结点，而主节点可以同时管理254个子网，具有较大的网络容量，同时具有较强的传输安全性、可靠性和抗干扰能力。该软件还具有良好的兼容性和嵌入式性能，尤其适合短距离通信，是机房远程监控的理想选择。

2 以无线传感网络为背景设计通信电源远程监控系统

2.1 硬件设计

通过对通信电源的远程监控，实现了对其性能、参数以及运行状态的实时监控，并将其反馈给指挥中心。硬件方面应充分考虑到监控系统的整体性能。针对通信电源监控系统的特点，提出与其进行双向通信的方式，如图1所示。

图1 硬件框架

传感器是硬件设计中的关键器件，在远程通信电源监控方面，重点分析监控过程中的实际操作参数，并实时监控结果。

研究的ZigBee无线传感器网络以一个网络终端作为终端，使用离散型传感器进行节点的数据采集。目前，国内外的传感器种类繁多，其中DS23Y41型、YK-65型等传感器应用较广。DS23Y41型温度传感器的优势在于体积小、抗干扰能力强、精度高[3]。本机型采用单线方式，可与监控系统进行双向通信，减小了数据采集和通信误差。

2.2 软件设计

2.2.1 设计系统数据类型结构

使用的无线传感器网络为ZigBee网络，核心节点由网络协调器、路由器以及网络感知终端3部分组成[4]。远程监控系统是通信电源的主要控制设备，能够实时管理和更新电网运行状态，并及时采集和分析数据。在监控方面，监控系统的主要作用是采集管理信息、获得操作状态预警以及进行软件管理，可以为用户提供任务的存取界面，一旦发生报警，可以自动向上级报告。报警状态下，每个参数的变动幅度都很小，数据长度在1～4 Bytes。为了确保以上数据能够及时处理，在软件中必须要建立一个数据库。数据库需要对各种参数进行添加、查询、修改等，确保能及时维护和管理数据。收到报文后，要先判断报文类型，再分析装置的异常状况，最后确定是否有必要进行报文处理。这个过程中需设置不间断电源的运行状态，并在系统控制程序中进行指令操作。

通信电源远程监控系统的数据存储主要包括基本电源信息、运行信息和报警信息3个方面。电源基本信息包括电源名称、地址、额定电压、工作电流以及电源在供电时的实际消耗。监控系统获取的运行信息主要有额定电压、实际存在负载时的实际电流和逆变器的输出电压。报警信息主要有低电压、输出故障、负载过载以及低输入电压4种类型。规范系统的数据类型和结构，可以确保系统正常工作[5]。

2.2.2 布设监控点

为保证电网的实时监控，应在合适的位置设置监控点，确保准确通信。监控点是指由通信电源设定的特定监控数据。数据类型包括监视器的数据量、模拟量等。一定要选取适当的监控点。当监控中心接收到来自网络的监控数据包时，必须及时处理这些异常数据。所以，充分考虑通信供电的实际状况。在选定监控点时，必须将监控数据进行分类。监控过程中采集的数据应包括电源参数、设备状态、控制功能以及限制参数等。综上所述，通信电源的主要参数是输出电压、三相电压和输出电流。在设置监控站时，需对各监控站进行分类与设置，以保证采集的资料能真实反映通信电源的特性与工作状态。通信监控站电源可以直接从集控台读取有关的数据，但有些通信电源并未设置集控台，因此监控这些装置时必须增加相应的感应器和发射机[6]。通信供电时，高压部件的失效势必会导致低压部件的失效。因此，在设置监控点时，只监控低压区。在供电端，必须将温度传感器插入供电设备，将其与结点连接起来。需要注意，系统获取的数据并非来自该装置的表层温度。在电力系统监控中获得的监控数据必须能真实反映通信网的供电质量。

3 系统测试

3.1 测试准备

通过全面测试研制的无线传感器网络远程监控系统的性能，验证该系统的性能，并将新型系统与常规监控系统结合进行监控，分析其结果。

3.1.1 系统要求

目前，我国电信行业发展迅猛，许多地区都已组建通信机房。许多机房位于无人值守的偏远地区，因此对其监控工作的要求越来越高。针对某远距离通信机房的实际状况，利用ZigBee技术建立了一套完整的无线感应网，用于监控远程机房内的火灾烟感、空调运行状况、温湿度门禁以及电力供应等。在不同的应用场合，系统中的无线传感器数目也不相同，因此设计时要充分考虑数据碰撞问题。该系统采用星形网络拓扑，以ARM处理器模块为主节点，以其他无线传感器为从节点。在接收到控制指令后，该指令被发送到相应的从节点，从节点接收指令后，将按照该指令进行数据传送或其他操作。星形网络拓扑能有效防止信息冲突，同时能减少系统功耗[7]。

3.1.2 系统构成

远程机房监控系统是以ZigBee为核心的无线传感器网络为基础实现对远程机房的监控。系统被分为4个层次：第1层即最高层是监控中心，而在中央机房内是一台个人计算机；第2层是计算机，一般在远端计算机室，是将中央机房的监控主机和Zigbee网连接起来的重要节点；第3层是ZigBee的主节点，作为联络器，起到收割者的作用；第4层是路由器和各个传感器终端。这样可保证系统构建的科学性，为后续的使用奠定坚实的基础[8]。

3.2 实验结果对比与分析

在相同试验条件下，分别记录设计的监控系统和传统监控系统的监控值，并采用坐标系的监控值和实测参数值进行拟合。结果表明：常规的监控值和真实参数的拟合曲线具有73.5%的相似度，其中监控值和真实参数的拟合曲线具有98.6%的相似度。可以看出，设计的无线传感器网络远距离监控系统的可靠性较高。在无线传感器网络远距离监控系统中，必须严格遵守其发展流程，以保证实验结果的科学性。

3.3 系统的主要作用

3.3.1 烟气温度和湿度的监控

该系统可以对温、湿度和烟尘进行监控，将监控的相关信息发送给监控室。监视器上的软件会根据现场的温度、湿度和电子烟感器的运行情况进行分析，一旦发现异常，及时处理。

3.3.2 空调机的运行状况监控

中央采集系统将空调系统的运行情况通过计算机传输至监控中心，由监控中心的相关软件分析该系统的工作状况，一旦发现异常，立即采取相应措施进行处理。

3.3.3 红外干扰的监控

该系统具备红外线入侵检测能力，可以检测系统有没有被入侵的可能。一旦监控到有入侵者活动，系统会触发红外线探测器收集红外线信息，以高、低电平为主，传输到中央收发器，由中央收发器将数据传输至监控中心。监控中心根据特定的行为进行分析，及时做出处理。此外，系统具备监控电磁锁、供电系统等。HR-SR501红外线感应器经过ZigBee无线网络向ARM发送电平变换处理器，使得ARM处理器开启影像摄取装置，捕获入侵者影像，并及时进行储存和传送[9]。本地用户可以使用视频图像获取装置用户端和远程页面客户端的操作，如开启、关闭等。Video4linux接口具有视频采集装置影像捕获功能，在设备初始化后分别进行图像获取、程序执行及影像传输侦听处理。使用Socket套接字的图像数据以传输控制协议（Transmission Control Protocol，TCP）为基础进行传送，使系统能够实时采集和传输视频图像。在本机上安装Spcaview显示器，可以直接显示视频影像，并具有手动捕捉、运动检测等功能[10]。此外，写出滑鼠捕获程式，并与网络服务器建立程式合作，可使系统拥有遥控器捕获监视屏幕函数的功能。

4 结 论

针对传统的通信电源远程监控系统存在的问题，采用ZigBee无线传感网络设计一种新型远程监控系统，并从软硬件方面进行了详细分析。新型监控系统还存在一定的问题，一定程度上影响了工作进度，因此后续发展必须对其进行深入研究。此外，开发了一款新的电力通信检测系统，以S3C2440为核心处理器，与TMS320F2812相匹配。ZC301等器件能够完成对电力质量数据、温湿度数据以及图像的采集。系统使用ZigBee无线网络实现对各个传感器模块的数据传送，从而避免常规监控网络的配线工作，使用更灵活便捷。系统还建立了B/S模式业务，可实现对系统的远程监控与控制，使系统运行更便捷快速。可见，电力通信检测系统功能强大，具有很高的实用价值。